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計算機輔助工程
本詞條是多義詞，共3個義項
計算機信息技術(shù)
計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)的提出就是要把工程（生產(chǎn)）的各個環(huán)節(jié)有機地組織起來，其關(guān)鍵就是將有關(guān)的信息集成，使其產(chǎn)生并存在于工程（產(chǎn)品）的整個生命周期。因此，CAE系統(tǒng)是一個包括了相關(guān)人員、技術(shù)、經(jīng)營管理及信息流和物流的有機集成且優(yōu)化運行的復(fù)雜的系統(tǒng)。
基本信息
| 中文名 | 計算機輔助工程 |
| 外文名 | Computer Aided Engineering，CAE |
| 主流軟件 | MSC系列工程分析軟件 |
| 實質(zhì) | 各個環(huán)節(jié)有機地組織起來 |
| 特點 | 關(guān)人員、技術(shù) |
概述
隨著計算機技術(shù)及應(yīng)用的迅速發(fā)展，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的出現(xiàn)，使計算機圖形學(xué)（Computer Graphics，CG）、計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）與計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等新技術(shù)得以十分迅猛的發(fā)展。CAD、CAM已經(jīng)在電子、造船、航空、航天、機械、建筑、汽車等各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，成為最具有生產(chǎn)潛力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的經(jīng)濟效益。
計算機技術(shù)的迅速發(fā)展還推動了現(xiàn)代企業(yè)管理的發(fā)展，企業(yè)管理借助于管理信息系統(tǒng)的支持與幫助，利用信息控制國民經(jīng)濟部門或企業(yè)的活動，做出科學(xué)的決策或調(diào)度，從而提高管理水平與效益。企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的各個環(huán)節(jié)，從工程的立項、簽約、設(shè)計、施工（生產(chǎn)），一直到交工（交貨），是一個連續(xù)的過程，有機的整體。
計算機輔助工程
基本概念
計算機輔助工程
CAE軟件可以分為兩類：針對特定類型的工程或產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測和優(yōu)化的軟件，稱之為專用CAE軟件；可以對多種類型的工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)性能進行分析、模擬和預(yù)測、評價和優(yōu)化，以實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件，稱之為通用CAE軟件。
CAE軟件的主體是有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)軟件。
有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實情況無限接近的解。
基于有限元方法的CAE系統(tǒng)，其核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化。
根據(jù)經(jīng)驗，CAE各階段所用的時間為：40%～45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。
基本結(jié)構(gòu)
計算機輔助工程結(jié)構(gòu)
應(yīng)用CAE軟件對工程或產(chǎn)品進行性能分析和模擬時，一般要經(jīng)歷以下三個過程：
前處理：對工程或產(chǎn)品進行建模，建立合理的有限元分析模型。
后處理：根據(jù)工程或產(chǎn)品模型與設(shè)計要求，對有限元分析結(jié)果進行用戶所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計算結(jié)果與設(shè)計方案的合理性。
2、CAE軟件的結(jié)構(gòu)與功能
CAE軟件的基本結(jié)構(gòu)其中包含以下模塊：
前處理模塊---給實體建模與參數(shù)化建模，構(gòu)件的布爾運算，單元自動剖分，節(jié)點自動編號與節(jié)點參數(shù)自動生成，載荷與材料參數(shù)直接輸入有公式參數(shù)化導(dǎo)入，節(jié)點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。
有限元分析模塊---有限單元庫，材料庫及相關(guān)算法，約束處理算法，有限元系統(tǒng)組裝模塊，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學(xué)和數(shù)學(xué)特征，分解成若干個子問題，由不同的有限元分析子系統(tǒng)完成。一般有如下子系統(tǒng)：線性靜力分析子系統(tǒng)、動力分析子系統(tǒng)、振動模態(tài)分析子系統(tǒng)、熱分析子系統(tǒng)等。
后處理模塊---有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或產(chǎn)品設(shè)計要求的數(shù)據(jù)檢驗與工程規(guī)范校核，設(shè)計優(yōu)化與模型修改等。
用戶界面模塊、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)、知識庫。
CAE軟件對工程和產(chǎn)品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類型越多，材料庫所包括的材料特性種類越全，其CAE軟件對工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力越強。
一個CAE軟件的計算效率和計算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫。先進高效的求解算法與常規(guī)的求解算法，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。
前后處理是近十多年發(fā)展最快的CAE軟件成分，它們是CAE軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化，并實現(xiàn)CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關(guān)鍵性軟件成分。它們是通過增設(shè)CAD軟件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等軟件的接口數(shù)據(jù)模塊，實現(xiàn)了CAD/CAE的有效集成。
CAE通常指有限元分析和機構(gòu)的運動學(xué)及動力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析(線性、非線性、靜態(tài)、動態(tài));場分析(熱場、電場、磁場等);頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機構(gòu)分析能完成機構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構(gòu)的運動模擬及機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。
3、CAE的作用
a)增加設(shè)計功能，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少設(shè)計成本;
b)縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期;
c)CAE分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設(shè)計”過程，虛擬樣機作用能預(yù)測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性;
d)采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案，降低材料的消耗或成本;
e)在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題;
f)模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費;
發(fā)展歷史
國際上早20世紀(jì)在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開發(fā)具有強大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局(NASA)在1965年委托美國計算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)。此后有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。
1979年美國的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析程序向國內(nèi)引進移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來分析計算工程問題的高潮。在國內(nèi)開發(fā)比較成功并擁有較多用戶(100家以上)的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的FIFEX95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、中國農(nóng)機科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動化技術(shù)研究院的MFEP4.0等。
衡量CAE技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一是分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用。目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析軟件已經(jīng)引進我國，在汽車、航空、機械、材料等許多行業(yè)得到了應(yīng)用。我國的計算機分析軟件開發(fā)是一個薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場份額達5億美元，并且以每年15%的速度遞增。相比之下，我國自己的CAE軟件工業(yè)還非常弱小，僅占有很少量的市場份額。
主流CAE軟件
計算機輔助工程軟件
MSC是全球最大的CAE軟件供應(yīng)商，為滿足各種工程應(yīng)用的需求提供了多種仿真工具。MSC具有超過40%的世界MCAE市場份額，2000多家大用戶，覆蓋了工程仿真的各個方面，在汽車、軍事國防、航空航天、機械制造領(lǐng)域占絕對統(tǒng)治地位。主要產(chǎn)品有：
MSC.NASTRAN：大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，同時也是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的FEA原代碼程序及國際合作和國際招標(biāo)中工程分析和校驗的首選工具;
MC.NASTRAN：圖形框架前后處理器;
MSC.DYTRAN：瞬態(tài)動力學(xué)仿真技術(shù);
MSC.FATIGUE：專用的耐久性疲勞壽命分析軟件系統(tǒng);
MSC.CONSTRUCT：用于拓?fù)浼靶螤顑?yōu)化的概念化設(shè)計軟件系統(tǒng);
MSC.MARC：功能齊全的高級非線性結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng);
MSC.AKUSMOD：MSC公司與德國SFE公司共同開發(fā)的內(nèi)噪音預(yù)測仿真軟件;
MSC.SUPERFORGE：三維鍛造仿真軟件;
MSC.SUPERFORM：制造過程仿真軟件。
2、ANSYS分析軟件
ANSYS是最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)的，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是經(jīng)典CAE工具，在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中廣泛使用。唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件，能實現(xiàn)多場及多場耦合分析，具有多物理場優(yōu)化功能，良好的用戶開發(fā)環(huán)境。
軟件主要包括前后處理模塊和分析計算模塊三部分。前處理模塊提供實體建模及網(wǎng)格劃分工具，以便用戶構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。
3、ADAMS
美國MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司開發(fā)的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是世界上最具權(quán)威性的使用范圍最廣的機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件。用戶使用ADAMS軟件，可以自動生成包括機-電-液一體化在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機模型，能為用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計、方案論證、詳細(xì)設(shè)計到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計算分析結(jié)果，從而達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)及競爭力的目的。由于ADAMS具有通用、精確的仿真功能、方便而友好的用戶界面和強大的圖形動畫顯示能力，所以該軟件已在全世界數(shù)以千計的著名大公司中得到成功的應(yīng)用。
4、紫瑞CAE
紫瑞CAE軟件由機械部鄭州機械研究所、中科院計算數(shù)學(xué)與工程計算所、鄭州紫瑞軟件有限公聯(lián)合研制。是一個與三維CAD軟件無縫集成的自動化程度很高的有限元分析軟件，主要用于結(jié)構(gòu)分析計算。是國家科技部”九五”科技攻關(guān)專題《機械CAE系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)》項目中推出的具有自主版權(quán)的通用軟件。目前已發(fā)行三個版本：企業(yè)版；專業(yè)版；教學(xué)版。
5、材料成形CAE軟件
塑性成形CAE軟件中，國外有DEFORM、MARC/AutoForge、AutoForm、DYNAFORM、PAM SYSTEM等軟件；中國有清華、上海交大、華中科大、吉林工大等各自研制的部分CAE軟件。
塑料注射成形CAE軟件中有MOLDFLOW、SLMUCOOL、MOLDCOOL、C COOL等軟件。
內(nèi)容
計算機輔助工程是指計算機在現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是生產(chǎn)制造業(yè)中的應(yīng)用，主要包括計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造和計算機集成制造系統(tǒng)等內(nèi)容。
1. 計算機輔助設(shè)計（CAD）
在如今的工業(yè)制造領(lǐng)域，設(shè)計人員可以在計算機的幫助下繪制各種類型的工程圖紙，并在顯示器上看到動態(tài)的三維立體圖后，直接修改設(shè)計圖稿，極大地提高了繪圖的質(zhì)量和效率。此外，設(shè)計人員還可以通過工程分析和模擬測試等方法，利用計算機進行邏輯模擬，從而代替產(chǎn)品的測試模型（樣機），降低產(chǎn)品試制成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。
目前，CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機械、電子、航空、船舶、汽車、紡織、服裝、化工以及建筑等行業(yè)，成為現(xiàn)代計算機應(yīng)用中最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域。
2. 計算機輔助制造（CAM）
這是一種利用計算機控制設(shè)備完成產(chǎn)品制造的技術(shù)。例如，20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的數(shù)控機床便是在CAM技術(shù)的指導(dǎo)下，將專用計算機和機床相結(jié)合后的產(chǎn)物。
借助CAM技術(shù)，在生產(chǎn)零件時只需使用編程語言對工件的形狀和設(shè)備的運行進行描述后，便可以通過計算機生成包含加工參數(shù)（如走刀速度和切削深度）的數(shù)控加工程序，并以此來代替人工控制機床的操作。這樣不僅提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率，還降低生產(chǎn)難度，在批量小、品種多、零件形狀復(fù)雜的飛機、輪船等制造業(yè)中備受歡迎。
3. 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）
CIMS是集設(shè)計、制造、管理三大功能于一體的現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)周期短等特點，是20世紀(jì)制造工業(yè)的主要生產(chǎn)模式。在現(xiàn)代化的企業(yè)管理中，CIMS的目標(biāo)是將企業(yè)內(nèi)部所有環(huán)節(jié)和各個層次的人員全都用計算機網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成一個能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一和高速運行的制造系統(tǒng)。
功能及用途
CAE技術(shù)是將工程的各個環(huán)節(jié)有機地組織起來，應(yīng)用計算機技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、信息科學(xué)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的成功結(jié)合，實現(xiàn)全過程的科學(xué)化、信息化管理，以取得良好的經(jīng)濟效益和優(yōu)良的工程質(zhì)量。
CAE的功能結(jié)構(gòu)應(yīng)包含計算機輔助工程計劃管理、計算機輔助工程設(shè)計、計算機輔助工程施工管理及工程文檔管理等項。
計算機輔助工程計劃管理包括工程項目的可行性論證、標(biāo)書、成本與報價、工程計劃進度、各子項工程計劃與進度、預(yù)決算報告等。
計算機輔助工程設(shè)計包括工程的設(shè)計指標(biāo)、工程設(shè)計的有關(guān)參數(shù)及CAD系統(tǒng)，在CAD系統(tǒng)中應(yīng)強調(diào)設(shè)計人員的主導(dǎo)作用，同時注重計算機所提供的支撐與幫助，以在最短的時間內(nèi)拿出最優(yōu)的設(shè)計方案來。同時，還要注意設(shè)計數(shù)據(jù)的提取和保存，以使其有效地服務(wù)于工程的整個生命周期。
計算機輔助施工管理包括工程進度、工程質(zhì)量、施工安全、施工現(xiàn)場、施工人員、物料供給等方面的管理、控制和調(diào)度。它涉及到工程管理學(xué)、運籌學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、質(zhì)量控制等科學(xué)技術(shù)。當(dāng)然，管理人員的自身素質(zhì)是管理工作中的決定因素，必須十分重視管理人員在管理環(huán)節(jié)中的作用。
CAE技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，像各種工業(yè)建設(shè)項目，例如工廠的建設(shè)，公路、鐵路、橋梁和隧道的建設(shè)；像大型工程項目，例如電站、水壩、水庫、船臺的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。它還可應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)過程之中，及其它的企業(yè)經(jīng)營、管理控制過程中，例如工廠的生產(chǎn)過程、公司的商業(yè)活動等。
關(guān)鍵技術(shù)
計算機輔助關(guān)鍵技術(shù)
（1）計算機圖形技術(shù)
CAE系統(tǒng)中表達信息的主要形式是圖形，特別是工程圖。在CAE運行的過程中，用戶與計算機之間的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是計算機圖形。所以，計算機圖形技術(shù)是CAE系統(tǒng)的基礎(chǔ)和主要組成部分。
（2）三維實體造型
工程設(shè)計項目和機械產(chǎn)品都是三維空間的形體。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員構(gòu)思形成的也是三維形體。CAE技術(shù)中的三維實體造型就是在計算機內(nèi)建立三維形體的幾何模型，記錄下該形體的點、棱邊、面的幾何形狀及尺寸，以及各點、邊、面間的連接關(guān)系。
（3）數(shù)據(jù)交換技術(shù)
CAE系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)，個個功能模塊都是系統(tǒng)有機的組成部分，它們都應(yīng)有統(tǒng)一的幾類數(shù)據(jù)表示格式，是不同的子系統(tǒng)間、不同模塊間的數(shù)據(jù)交換順利進行，充分發(fā)揮應(yīng)用軟件的效益，而且應(yīng)具有較強的系統(tǒng)可擴展性和軟件的可再用性，以提高CAE系統(tǒng)的生產(chǎn)率。各種不同的CAE系統(tǒng)之間為了信息交換及資源共享的目的，也應(yīng)建立CAE系統(tǒng)軟件均應(yīng)遵守的數(shù)據(jù)交換規(guī)范。目前，國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)有GKS、IGES、PDES、STEP等。
（4）工程數(shù)據(jù)管理技術(shù)
CAE系統(tǒng)中生成的幾何與拓?fù)鋽?shù)據(jù)，工程機械，工具的性能、數(shù)量、狀態(tài)，原材料的性能、數(shù)量、存放地點和價格，工藝數(shù)據(jù)和施工規(guī)范等數(shù)據(jù)必須通過計算機存儲、讀取、處理和傳送。這些數(shù)據(jù)的有效組織和管理是建造CAE系統(tǒng)的又一關(guān)鍵技術(shù)，是CAE系統(tǒng)集成的核心。采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）對所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行管理是最好的技術(shù)手段。
（5）管理信息系統(tǒng)
工程管理的成敗，取決于能否做出有效的決策。一定的管理方法和管理手段是一定社會生產(chǎn)力發(fā)展水平的產(chǎn)物。市場經(jīng)濟環(huán)境中企業(yè)的競爭不僅是人才與技術(shù)的競爭，而且是管理水平、經(jīng)營方針的競爭，是管理決策的競爭。決策的依據(jù)和出發(fā)點取決于信息的質(zhì)量。所以，建立一個由人和計算機等組成的能進行信息收集、傳輸、加工、保存、維護和使用的管理信息系統(tǒng)，有效地利用信息控制企業(yè)活動是CAE系統(tǒng)具有戰(zhàn)略意義、事關(guān)全局的一環(huán)。工程的整個過程歸根結(jié)蒂是管理過程，工程的質(zhì)量與效益在很大程度上取決于管理。
CAE系統(tǒng)
CAE系統(tǒng)是一個包括工程各個環(huán)節(jié)的集成系統(tǒng)，是計算機應(yīng)用的一個重要方面。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，大致可分為兩類：集中式系統(tǒng)和工作站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
在集中式系統(tǒng)中，視系統(tǒng)的需要配置一臺中、小型機或大型機，構(gòu)造成CAE系統(tǒng)的信息中心和指揮中心，其各個工程環(huán)節(jié)的分系統(tǒng)可以是該中心計算機的終端機、工作站，甚至是小型機，它們與中心機通過網(wǎng)絡(luò)連接。這種系統(tǒng)的中心機功能較強，是信息存儲的中心，也是信息傳送、處理的中心。這樣的系統(tǒng)一次性投資較大，使用起來靈活性不強。
采用工作站網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造CAE系統(tǒng)，各工程分系統(tǒng)分別設(shè)置一臺或多臺工作站，各自實現(xiàn)所擔(dān)負(fù)的功能，完成所分配的工作，通過網(wǎng)絡(luò)來進行信息的交換。這樣的系統(tǒng)造價較低，而且具有較強的靈活性，適合于工程項目復(fù)雜多變的特點。
技術(shù)概況
計算機輔助工程的特點是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析。一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題，通過計算機數(shù)值模擬得到滿意的解答；另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進步。
在影響計算機輔助工程技術(shù)發(fā)展的諸多因素中，人才、計算機硬件和分析軟件是三個最主要的方面。現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)為CAE技術(shù)奠定了良好的硬件基礎(chǔ)。多年來，重視CAE技術(shù)人才的培養(yǎng)和分析軟件的開發(fā)和推廣應(yīng)用，發(fā)達國家不僅在科技界而且在工程界已經(jīng)具有一支較強的掌握CAE技術(shù)的人才隊伍，同時在分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用方面也達到了較高水平。
美國于1998年成立了工程計算機模擬和仿真學(xué)會(Computer Modeling and Simulation in Engineering)，其它國家也成立了類似的學(xué)術(shù)組織。各國都在投入大量的人力和物力，加快人才的培養(yǎng)。正是各行業(yè)中大批掌握CAE技術(shù)的科技隊伍推動了CAE技術(shù)的研究和工業(yè)化應(yīng)用，CAE技術(shù)在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的科學(xué)研究，并普遍應(yīng)用于實際工程問題，在解決許多復(fù)雜的工程分析方面發(fā)揮了重要作用。
國外對CAE技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用真正得到高速的發(fā)展和普遍應(yīng)用則是近年來的事。這一方面主要得益于計算機在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面則有賴于通用分析軟件的推出和完善。早期的CAE分析軟件一般都是基于大型計算機和工作站開發(fā)的，近年來PC機性能的提高，使采用PC機進行分析成為可能，促使許多CAE軟件被移植到PC機上應(yīng)用。這顯然對CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用極為有利。
衡量CAE技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一是分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用。目前，一些發(fā)達國家在這方面已達到了較高的水平，僅以有限元分析軟件為例，國際上不少先進的大型通用有限元計算分析軟件的開發(fā)已達到較成熟的階段并已商品化，如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。這些軟件具有良好的前后處理界面，靜態(tài)和動態(tài)過程分析以及線性和非線性分析等多種強大的功能，都通過了各種不同行業(yè)的大量實際算例的反復(fù)驗證，其解決復(fù)雜問題的能力和效率，已得到學(xué)術(shù)界和工程界的公認(rèn)。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車、電氣工業(yè)設(shè)計等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言，西方發(fā)達國家目前已經(jīng)達到了實用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、復(fù)雜性、可*性、經(jīng)濟性等做出迅速反應(yīng)，增強了企業(yè)的市場競爭能力。在許多行業(yè)中，計算機輔助分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規(guī)范加以實施。如，以國外某大汽車公司為例，絕大多數(shù)的汽車零部件設(shè)計都必須經(jīng)過多方面的計算機仿真分析，否則根本通不過設(shè)計審查，更談不上試制和投入生產(chǎn)。計算機數(shù)值模擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學(xué)研究的一種手段，在生產(chǎn)實踐中也已作為必備工具普遍應(yīng)用。
2.中國CAE技術(shù)現(xiàn)狀
隨著中國科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化水平的提高，計算機輔助工程技術(shù)也在中國蓬勃發(fā)展起來。科技界和政府的主管部門已經(jīng)認(rèn)識到計算機輔助工程技術(shù)對提高中國科技水平，增強中國企業(yè)的市場競爭能力乃至整個國家的經(jīng)濟建設(shè)都具有重要意義。近年來，中國的CAE技術(shù)研究開發(fā)和推廣應(yīng)用在許多行業(yè)和領(lǐng)域已取得了一定的成績。但從總體來看，研究和應(yīng)用的水平還不能說很高，某些方面與發(fā)達國家相比仍存在不小的差距。從行業(yè)和地區(qū)分布方面來看，發(fā)展也還很不平衡。
目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析軟件已經(jīng)引進中國，在汽車、航空、機械、材料等許多行業(yè)得到了應(yīng)用，而且中們在某些領(lǐng)域的應(yīng)用水平并不低。不少大型工程項目也采用了這類軟件進行分析。中國已經(jīng)擁有一批科技人員在從事CAE技術(shù)的研究和應(yīng)用，取得了不少研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗，使中們在CAE技術(shù)方面緊跟住現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但是，這些研究和應(yīng)用的領(lǐng)域以及分布的行業(yè)和地區(qū)還很有限，現(xiàn)在還主要局限于少數(shù)具有較強經(jīng)濟實力的大型企業(yè)、部分大學(xué)和研究機構(gòu)。
中國的計算機分析軟件開發(fā)是一個薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。在CAE分析軟件開發(fā)方面，中國目前至少落后于美國等發(fā)達國家十年。計算機軟件是高技術(shù)和高附加值的商品，目前的國際市場為美國等發(fā)達國家所壟斷。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場份額達5億美元，并且以每年 15%的速度遞增。相比之下，中國自己民族的軟件工業(yè)還非常弱小，僅占有很少量的市場份額。作為一個國家，一個民族不能長期依賴于引進外國的技術(shù)和產(chǎn)品，因此中們必須加大力度開發(fā)自己的計算機分析軟件，只有這樣才能改變在技術(shù)上和經(jīng)濟上受制于人的局面。
中國的工業(yè)界在CAE技術(shù)的應(yīng)用方面與發(fā)達國家相比水平還比較低。大多數(shù)的工業(yè)企業(yè)對CAE技術(shù)還處于初步的認(rèn)同階段，CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)碾y度。這是因為，一方面中們?nèi)鄙僮约洪_發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的計算機分析軟件，另一方面大量缺乏掌握CAE技術(shù)的科技人員。對于計算機分析軟件問題，目前雖然可以通過技術(shù)引進以解燃眉之急，但是，國外的這類分析軟件的價格一般都相當(dāng)貴，國內(nèi)不可能有很多企業(yè)購買這類軟件來使用。而人才的培養(yǎng)則需要一個長期的過程，這將是對中國CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生嚴(yán)重影響的一個制約因素，而且很難在短期內(nèi)有明顯的改觀。提高中國工業(yè)企業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平，將 CAE 技術(shù)廣泛應(yīng)用于設(shè)計與制造過程還是一項相當(dāng)艱巨的工作。
展望
計算機輔助工程展望
硬件方面，計算機將在高速化、小型化和大容量方面取得更大進步。可以預(yù)見，不久的將來PC機將在運行速度和存儲容量方面得到大幅度的提高，使許多CAE分析軟件都能在PC機上運行。這將為CAE技術(shù)的普及創(chuàng)造更好的硬件基礎(chǔ)，促進CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。
軟件方面，現(xiàn)有的計算機仿真分析軟件將得到進一步的完善。大型通用分析軟件的功能將愈來愈強大，界面也將愈來愈友好，涵蓋的工程領(lǐng)域?qū)⒂鷣碛毡椤Ｍ瑫r，適用于某些專門用途的專用分析軟件也將受到重視并被逐步開發(fā)完善起來。各行各業(yè)都將會具有適于各自領(lǐng)域的計算機仿真分析軟件。
網(wǎng)絡(luò)化時代的到來也將對CAE技術(shù)的發(fā)展帶來不可估量的促進作用。現(xiàn)在許多大的軟件公司已經(jīng)采用互聯(lián)網(wǎng)對用戶在其分析過程中遇到的困難提供技術(shù)支持。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，通過網(wǎng)絡(luò)信息傳遞，不僅對某些技術(shù)難題，甚至對于全面的CAE分析過程都有可能得到專家的技術(shù)支持，這必將在CAE 技術(shù)的推廣應(yīng)用方面發(fā)揮極為重要的作用。
中國加入WTO后，中國的產(chǎn)品已不再可能依*政府來保護自己的市場，必須與國際接軌，面對國際市場。工業(yè)界必須對市場需求做出迅速反應(yīng)，縮短工程設(shè)計周期，優(yōu)化產(chǎn)品和節(jié)省造價，保證產(chǎn)品質(zhì)量，才能贏得市場。為此，在產(chǎn)品的設(shè)計制造過程中應(yīng)用CAD、CAE和CAM等技術(shù)是最好的選擇，這已經(jīng)成為國際上科技界和工業(yè)界的共識。過去長期沿用的那些靜態(tài)的、孤立的、繁雜的、不準(zhǔn)確的、甚至有時只能憑經(jīng)驗進行的設(shè)計和分析方法必然將處于被淘汰的地位。中國的工業(yè)界要想在激烈的國際市場競爭中占有一席之地，就必須跟上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從現(xiàn)在起就應(yīng)該對CAE技術(shù)予以足夠的重視。
作為世界上發(fā)展速度最快的一個發(fā)展中國家，CAE技術(shù)水平的提高將對增強中國工業(yè)界的市場競爭能力，發(fā)展國民經(jīng)濟發(fā)揮重要作用。因此，中們必須加大對CAE技術(shù)的投入，加快開發(fā)自己的計算機分析軟件，培養(yǎng)一批掌握CAE技術(shù)的人才。針對中國工業(yè)界，特別是中小企業(yè)的CAE技術(shù)還較為落后，缺乏專門人才的實際情況，如何利用飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將中們的人才和技術(shù)資源充分發(fā)揮出來為企業(yè)服務(wù)，是在CAE技術(shù)的發(fā)展中值得重視的一個問題。
鋼鐵工業(yè)應(yīng)用
鋼鐵工業(yè)是世界工業(yè)化過程中最具成長性的產(chǎn)業(yè)之一，長期成為各個工業(yè)化國家的重要產(chǎn)業(yè)。在我國，雖然整個現(xiàn)代化建設(shè)以傳統(tǒng)原材料為基礎(chǔ)的狀況已在發(fā)生改變，但鋼鐵仍是基本的結(jié)構(gòu)材料和產(chǎn)量最大的功能材料。鋼鐵工業(yè)具有很強的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性，上游影響交通運輸、采礦、耐火材料等產(chǎn)業(yè)，下游影響建筑、汽車、造船、金屬制品、機械電子等行業(yè)。
鋼鐵工業(yè)依然是工業(yè)化國家最重要的產(chǎn)業(yè)部門之一，其發(fā)展?fàn)顩r也是衡量其工業(yè)水平和綜合國力的重要指標(biāo)。
世界范圍內(nèi)鋼鐵工業(yè)正面臨著新技術(shù)蓬勃發(fā)展、結(jié)構(gòu)變革的局面。用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)，加速結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高市場競爭力，是發(fā)展鋼鐵工業(yè)的主流趨勢。計算機輔助工程(CAE)技術(shù)以其高效率、低成本的優(yōu)勢在鋼鐵工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過CAE技術(shù)，可以對鋼鐵工業(yè)中從冶煉到加工的各個工藝過程進行計算機過程模擬、系統(tǒng)優(yōu)化、自動控制，采用計算機對生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)及生產(chǎn)結(jié)果進行模擬和對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化，．以實現(xiàn)生產(chǎn)的超前規(guī)劃和設(shè)計。
冶金設(shè)備作為冶金技術(shù)的載體，本身具有大型、重載、高速、連續(xù)、自動化、精密化等特點，而且往往工作在高溫、重載、高粉塵、大沖擊等惡劣條件下，許多性能無法采用實物試驗的方法獲得。近年來，國內(nèi)外冶金生產(chǎn)中，不斷出現(xiàn)重大設(shè)備事故，也都涉及到設(shè)備的力學(xué)行為。同時，冶金工業(yè)的發(fā)展對機械設(shè)備的性能和使用條件提出了許多新的要求。如近年出現(xiàn)的短流程技術(shù)及連鑄連軋技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)集中表現(xiàn)為要解決的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)問題，包括強度問題、運動學(xué)及動力學(xué)問題和傳熱及熱應(yīng)力問題，也對冶金機械設(shè)計研究和開發(fā)提出了更高的要求。因此CAE技術(shù)在冶金設(shè)備的設(shè)計研究上也得到了廣泛的應(yīng)用。
1、CAE技術(shù)在煉鐵生產(chǎn)及煉鐵機械方面的應(yīng)用
CAE技術(shù)目前在煉鐵生產(chǎn)中取得的主要成果有：采用有限元法建立高爐復(fù)雜料面及中心裝焦條件下的煤氣流場和壓力場解析模型、高爐固態(tài)爐料流場和勢函數(shù)解析模型，分析高爐中心裝焦條件下的高爐狀況。利用CAE技術(shù)計算分析高爐冷卻水的穩(wěn)定性、流速、冷卻水管與冷卻壁本體的間隙及冷卻的高度對長壽高效高爐冷卻壁壽命的影響。采用有限元法對高爐爐體結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析等。
隨著鋼鐵冶煉工藝復(fù)雜性的增加，冶煉中溫度、化學(xué)能、流體、受力、電力、磁力、振動等多因素的影響越來越重要。因此考慮多個因素，進行多相多態(tài)介質(zhì)耦合與多物理場耦合求解的冶煉過程模擬和分析將成為CAE技術(shù)研究和應(yīng)用的重點。
在煉鐵機械設(shè)計優(yōu)化方面，CAE主要發(fā)揮作用在于針對上料系統(tǒng)、燒結(jié)機、球團造球機、回轉(zhuǎn)窯、開鐵口機、液壓泥炮、鑄鐵機等一系列相關(guān)設(shè)備的力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，提高了機械設(shè)備的效率和壽命，降低了機械的制造成本，在改善噪音和震動方面也發(fā)揮了重要作用。
2、CAE技術(shù)在煉鋼生產(chǎn)及煉鋼設(shè)備方面的應(yīng)用
CAE技術(shù)目前在煉鋼生產(chǎn)中取得的主要成果有：濺渣護爐狀態(tài)下轉(zhuǎn)爐溫度場的模擬分析；廢鋼預(yù)熱電爐內(nèi)部的溫度場分析；吹氬鋼包內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)計算和實際測定；中間包的熱狀態(tài)的模擬計算；結(jié)晶器內(nèi)連鑄坯熱彈塑性應(yīng)力有限元數(shù)學(xué)模型的建立；連鑄小方坯凝固傳熱與應(yīng)力分析耦合數(shù)學(xué)模型的建立；坯殼與結(jié)晶器壁問氣隙的大小和分布有限元分析；結(jié)晶器磨損對坯殼凝固行為和力學(xué)行為的影響分析；連鑄彎月面區(qū)域凝固傳熱有限元模型的建立等。
在煉鋼機械設(shè)計優(yōu)化方面，CAE技術(shù)主要成果有：大型轉(zhuǎn)爐爐殼應(yīng)力分析；大型轉(zhuǎn)爐托圈機械應(yīng)力及熱應(yīng)力分析；通過研究連鑄凝固傳熱過程和結(jié)晶器溫度場、應(yīng)力場等；對拉速、冷卻水流速、銅板厚度、水垢和銅板鍍層等工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，并對結(jié)晶器、中間包等設(shè)備進行了優(yōu)化。
薄板坯連鑄連軋是極具優(yōu)越性的短流程生產(chǎn)工藝，具有工序少、消耗低、生產(chǎn)率高的特點。近年來科技工作者利用CAE技術(shù)對其進行了大量的研究，主要集中在對薄板坯連鑄連軋的熱過程、薄板坯的補償加熱、應(yīng)變等方面的分析。
利用CAE技術(shù)對半凝固態(tài)加工、液芯軋制等過程也開展了大量的理論研究工作，為生產(chǎn)工藝和設(shè)備的優(yōu)化提供幫助。
3、CAE技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)及軋鋼設(shè)備方面的應(yīng)用
目前鋼鐵工業(yè)中CAE技術(shù)運用最廣泛的領(lǐng)域就是軋鋼生產(chǎn)。軋鋼生產(chǎn)的核心是材料加工過程，而CAE技術(shù)將物理冶金、現(xiàn)代材料學(xué)與計算力學(xué)、數(shù)值模擬技術(shù)相互結(jié)合，使材料加工過程的場變化(應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場)、加工件的尺寸、形狀變化、產(chǎn)品組織性能缺陷等的模擬、仿真和預(yù)報成為可能。隨著計算機技術(shù)和軟件水平的不斷提高，CAE模擬已成功地代替了大部分軋制物理模擬，人們采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)已成功地對各種軋制過程進行了三維解析與模擬，有效地用于參數(shù)優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)報和設(shè)備設(shè)計，判斷變形過程是否可行或合理，并由軋件尺寸形狀預(yù)報和力學(xué)模擬轉(zhuǎn)到金屬組織性能預(yù)報和控制。
CAE技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用主要分為以下三個方面：軋制變形過程分析；軋制過程溫度場分析；軋輥等軋鋼機械零件分析等。CAE技術(shù)為控制軋鋼過程及成品質(zhì)量提供了理論依據(jù)。其中，大變形彈粘塑性熱力耦合，高剛度軋機及軋輥和軋件的多體耦合解析，特種斷面軋件的軋制過程模擬分析，軋件板型和板厚的精確控制調(diào)整等問題仍有待人們運用CAE技術(shù)去進行更深一步的探索和研究。
CAE技術(shù)已成為鋼鐵工業(yè)中新工藝和新產(chǎn)品的開發(fā)研制、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、設(shè)備能力考查和優(yōu)化設(shè)計過程中不可缺少的重要手段。其應(yīng)用前景也越來越廣。
參考資料
[1]
智造網(wǎng)[引用日期2019-04-15]
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嘉興市，是中國浙江省地級市，位于浙江省東北部、長江三角洲杭嘉湖平原腹地，東接上海，北臨蘇州，南鄰杭州，與寧波、紹興隔江相望。市境介于東經(jīng)120°18′-121°16′，北緯30°21′-31°02′之間，總面積3915平方公里。嘉興市下轄南湖、秀洲2個區(qū)，嘉善、海鹽2個縣，平湖、海寧、桐鄉(xiāng)3個縣級市
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漢安帝劉祜（hù）（94年－125年4月30日），東漢第六位皇帝。劉祜是清河孝王劉慶的兒子，與漢殤帝劉隆是堂兄弟，同為漢章帝劉炟（dá）的孫子。延平元年八月辛亥（106年9月21日）漢殤帝早夭，癸丑（106年9月23日）鄧太后與鄧騭擁立13歲的劉祜為帝，第二年改年號永初，后又四易年號，分別為元初、永
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這家伙太懶了，什么都沒寫！
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